Thực hiện hệ thống ofdm trên phần cứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG LÊ KHOA THỰC HIỆN HỆ THỐNG OFDM TRÊN PHẦN CỨNG Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử - Hướng Kỹ thuật Mã số : 60. 44. 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ - KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN HỮU PHƯƠNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2009 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Em xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô tại Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Khoa học tự nhiên TPHCM đã dạy dỗ và có những góp ý rất quý báu trong quá trình thực hiện đề tài. Em xin cảm sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Hữu Phương. Thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để Em hoàn thành đề tài này. Tôi xin cảm ơn người yêu thương, gia đình đã mang đến niềm tin và động lực để vượt qua những khó khăn. Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại Khoa đã có những nhận xét, góp ý tích cựu nhằm hoàn thiện đề tài. Học viên thực hiện Đặng Lê Khoa Trang 1 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 9 MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13 1.1. GIỚI THIỆU 13 1.1.1. Lịch sử phát triển 13 1.1.2. Các đặc điểm cơ bản 14 1.2. MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU 16 1.2.1. Truyền hình số 16 1.2.2. Chuẩn 802.11 (WiFi) 17 1.2.3. Chuẩn 802.16 (WiMAX) 19 1.2.4. Công nghệ 4G 21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 22 2.1. HỆ THỐNG OFDM 22 2.1.1. Nguyên lý OFDM 22 2.1.2. Tín hiệu OFDM 23 2.1.3. Cyclic Prefix 25 2.1.4. Bộ giải điều chế OFDM 27 2.1.5. Các ưu và nhược điểm 29 2.2. KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG OFDM 30 2.2.1. Tác động của kênh truyền 30 2.2.2. Cân bằng cho hệ thống OFDM 35 2.2.3. Phương pháp sử dụng pilot 36 2.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM 39 2.3.1. Cấu trúc symbol OFDM 39 2.3.2. Tính toán các thông số trong thiết kế 39 Trang 2 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM VÀ CÔNG CỤ THIẾT KẾ 42 3.1. MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM 42 3.1.1. Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM 42 3.1.2. Mô tả chức năng các khối trong hệ thống 43 3.2. CÔNG CỤ THIẾT KẾ 45 3.2.1. Phần mềm DSP Builder 45 3.2.2. Thư viện DSP Builder 47 3.3. PHẦN CỨNG THỰC NGHIỆM 50 3.3.1. Giới thiệu kit DSP Development Stratix EP1S25 50 3.3.2. Các thành phần trên kit 51 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM 54 4.1. BỘ NGẪU NHIÊN HOÁ DỮ LIỆU 54 4.1.1. Nguyên tắc ngẫu nhiên hoá 54 4.1.2. Thiết kế mạch ngẫu nhiên 54 4.2. BỘ MÃ HOÁ KÊNH 55 4.2.1. Bộ mã hoá 55 4.2.2. Giải mã bằng thuật toán Viterbi 56 4.3. ÁNH XẠ CHÒM SAO 59 4.3.1. Bộ ánh xạ chòm sao 59 4.3.2. Bộ giải ánh xạ chòm sao 62 4.4. SYMBOL OFDM 62 4.4.1. Mạch tạo pilot 63 4.4.2. Mạch ghép và tách symbol 64 4.5. TẠO TÍN HIỆU OFDM BẰNG PHÉP BIẾN ĐỔI IFFT/FFT 65 4.5.1. Thiết kế bộ FFT/IFFT 65 4.5.2. Bộ tạo tín hiệu OFDM 68 4.5.3. Bộ tách tín hiệu OFDM 69 4.5.4. Thêm Cyclic Prefix 69 4.6. KÊNH TRUYỀN VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 71 4.6.1. Kênh truyền 71 Trang 3 4.6.2. Bộ cân bằng 71 4.6.3. Bộ đếm tốc độ lỗi bit 72 4.7. HỆ THỐNG OFDM 73 4.7.1. Tạo dữ liệu và các tín hiệu điều khiển 73 4.7.2. Hệ thống OFDM 74 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ 77 5.1. BỘ NGẪU NHIÊN HOÁ 77 5.2. BỘ MÃ HOÁ KÊNH 78 5.3. XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐẦU PHÁT 80 5.3.1. Bộ mã hoá kênh 80 5.3.2. Ánh xạ chòm sao 81 5.3.3. Ghép symbol OFDM 82 5.3.4. Tạo tín hiệu OFDM 83 5.3.5. Thêm cyclic prefix 84 5.4. TÍN HIỆU QUA KÊNH TRUYỀN 86 5.5. XỬ LÝ DỮ LIỆU PHÍA THU 87 5.5.1. Biến đổi FFT để thu được symbol dữ liệu 87 5.5.2. Khối tách symbol 89 5.5.3. Giải ánh xạ chòm sao 90 5.5.4. Bộ mã hoá kênh 91 5.6. KHẢO SÁT HỆ THỐNG 92 5.6.1. Các thông số hệ thống và tài nguyên sử dụng 92 5.6.2. Phổ của tín hiệu OFDM 93 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 97 6.1. KẾT LUẬN 97 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN 98 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 Trang 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4G : 4th Generation ADC : Analog to Digital Converter AWGN : Additive White Gaussian Noise BER : Bit Error Rate BPSK : Binary Phase Shift Keying BTS : Base Transceiver Station BW : Bandwidth CC : Convolutional Code CDMA : Code Division Multiple Access CP : Cyclic Prefix DAB : Digital Audio Broadcasting DFT : Discrete Fourier Transform DSP : Digital Signal Processing DVB-T : Digital Video Broadcasting – Terrestrial ETSI : European Telecommunications Standards Institute FDM : Frequency Division Multiplexing FFT : Fast Fourier Transform FIFO : First In First Out FPGA : Field Programmable Gate Array GI : Guard Interval HSOPA: High Speed OFDM Packet Access I : Inphase ICI : Inter-Carrier Interference IFFT : Inverse Fast Fourier Transform IP core : Intellectual Property Core ISI : Inter-Symbol Interference JTAG : Joint Test Action Group Trang 5 LAN : Local Area Network LOS : Line of Sight LSB : Least Significant Bit LUT : Look-up Table MAN : Metropolitan Area Network MIMO : Multi Input Multi Output MSB : Most Significant Bit NLOS : Non Line of Sight OFDM : Orthogonal Frequency-Division Multiplexing OFDMA: Orthogonal Frequency-Division Multiple Access PAN : Personal Area Network PAPR : Peak to Average Power Ratio PLL : Phase Locked Loop PRBS: Pseudo-Random Binary Sequence Q : Quadrature QAM : Quadrature Amplitude Modulation QPSK : Quadrature Phase-Shift Keying RTL : Register Transfer Level Rx : Receiver SNR : Signal to Noise Ratio SoC : System on Chip SoPC : System on a Programmable Chip TCL : Tool Command Language Tx : Transmitter VHDL: Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language WAN : Wide Area Network Wireless HUMAN: Wireless High-speed Metropolitan Area Network Wireless MAN: Wireless Metropolitan Area Network XOR : Exclusive OR Trang 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Các sóng mang con trong miền thời gian và trong miền tần số 15 Hình 1.2: Phổ của từng sóng mang con trực giao 15 Hình 1.3: Ví dụ về symbol OFDM 16 Hình 1.4: Mô hình truyền thông của WiMAX 20 Hình 2.1: Nguyên lý OFDM 22 Hình 2.2: Nguyên lý tạo tín hiệu OFDM 23 Hình 2.3: Nguyên lý tạo tín hiệu OFDM bằng thuật toán IFFT 25 Hình 2.4: Tín hiệu truyền với cyclic prefix 26 Hình 2.5: Nguyên lý giải điều chế OFDM 28 Hình 2.6: Nguyên lý giải điều chế OFDM bằng FFT. 29 Hình 2.7: Các ảnh hưởng của môi trường lên sự truyền sóng 31 Hình 2.8: Mô hình kênh truyền 32 Hình 2.9: Phân loại kênh truyền 34 Hình 2.10: Các pilot trong miền thời gian và tần số 36 Hình 2.11: Các dạng pilot thông dụng (802.11, 802.16, DVB_T,…) 38 Hình 2.12: Cấu trúc symbol OFDM 39 Hình 3.1: Hệ thống truyền thông số dùng kỹ thuật OFDM 42 Hình 3.2: Qui trình thiết kế của DSP Builder 46 Hình 3.3: Thư viện của DSP Builder 47 Hình 3.4: Hoạt động của khối Signal Compiler 48 Hình 3.5: Kit DSP Development Stratix EP1S25 51 Hình 3.6: Các linh kiện được trên kit DSP Development 52 Hình 4.1: Nguyên tắc thực hiện bộ randomizer 54 Hình 4.2: Mạch thực hiện randomizer 55 Hình 4.3: Bộ mã hoá Convolutional code 55 Hình 4.4: Mô hình thuật toán Viterbi 56 Hình 4.5: Ví dụ giả mã dùng thuật toán Viterbi 57 Trang 7 Hình 4.6: Bộ giải mã dùng thuật toán Viterbi 58 Hình 4.7: Dạng sóng các tín hiệu điều khiển của khối giả mã Viterbi 58 Hình 4.8: Phép điều chế QPSK và 16_QAM 60 Hình 4.9: Mạch thực hiện phép điều chế QPSK 60 Hình 4.10: Mạch thực hiện phép điều chế 16-QAM 61 Hình 4.11: Khối Demapper 62 Hình 4.12: Bộ ngẫu nhiên hoá pilot 63 Hình 4.13: Mạch tạo pilot 63 Hình 4.14: Mạch ghép symbol 64 Hình 4.15: Mạch tách symbol OFDM 64 Hình 4.16: Bộ thực hiện phép FFT/IFFT 65 Hình 4.17: Các đường dữ liệu của bộ FFT 67 Hình 4.18: Điều khiển luồng dữ liệu ngõ vào 67 Hình 4.19: Điều khiển luồng dữ liệu ngõ ra 68 Hình 4.20: Mạch thực hiện việc tạo tín hiệu OFDM 69 Hình 4.21: Mạch thực hiện việc tách tín hiệu OFDM 69 Hình 4.22: Mạch tạo cyclic prefix 70 Hình 4.23: Bộ cộng nhiễu ngẫu nhiên 71 Hình 4.24: Mạch thực hiện ước lượng kênh truyền và cân bằng 72 Hình 4.25: Mạch thực hiện đếm BER 73 Hình 4.26: Mạch tạo dữ liệu và các tín hiệu điều khiển 74 Hình 4.27: Hệ thống OFDM được thiết kế trên DSP Builder 74 Hình 5.1: Kết quả kiểm tra bộ ngẫu nhiên hoá 78 Hình 5.2: Kết quả thử nghiệm bộ mã hoá kênh 79 Hình 5.3: Dữ liệu qua bộ mã hoá kênh 80 Hình 5.4: Dữ liệu vào và sau khi ánh xạ chòm sao theo phương pháp QPSK 81 Hình 5.5: Cấu trúc symbol OFDM 82 Hình 5.6: Tín hiệu OFDM 83 Hình 5.7: Tín hiệu truyền sau khi được thêm cyclic prefix 84 Trang 8 Hình 5.8: Ngõ ra đơn cực của tín hiệu OFDM 85 Hình 5.9: Tín hiệu qua kênh truyền 86 Hình 5.10: Dữ liệu sau khi biến đổi FFT 88 Hình 5.11: So sánh symbol dữ liệu ở đầu phát và thu 89 Hình 5.12: Dữ liệu giải ánh xạ chòm sao và phát hiện lỗi do nhiễu đường truyền 90 Hình 5.13: Thử nghiệm của bộ mã hoá 91 Hình 5.14: Phổ tín hiệu trên Matlab 94 Hình 5.15: Phổ tín hiệu sau khi thêm nhiễu 94 Hình 5.16: Phổ tín hiệu trên máy phân tích phổ 95 [...]... bật của kỹ thuật OFDM, các hệ thống đã và đang ứng dụng kỹ thuật OFDM Đồng thời, chương này cũng trình bày tiềm năng ứng dụng kỹ thuật OFDM trong các hệ thống truyền thông tương lai Chương 2 bao gồm các vấn đề về cơ sở lý thuyết của kỹ thuật OFDM, mô hình của hệ thống OFDM, tác động của kênh truyền lên hệ thống OFDM, mô tả cấu trúc symbol của OFDM và các tham số khi thiết kế hệ thống OFDM Chương 3 giới... bày ở trên Cùng với đó là việc thực hiện OFDM khá đơn giản với thuật toán IFFT Đây là các lý do giúp hệ thống OFDM được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin hiện nay và trong tương lai 1.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIÊU BIỂU 1.2.1 Truyền hình số Vào khoảng đầu những năm 1980, nhiều nghiên cứu về các hệ thống truyền thanh số (DAB) đã được thực hiện Các hệ thống này có thể truyền âm thanh trung thực (hi-fi)... bản trong hệ thống OFDM như: nguyên lý truyền dữ liệu, sử dụng phép biến đổi IFFT/FFT thực hiện bộ phát/thu OFDM, và việc sử dụng cyclic prefix Đồng thời, chương này cũng đề cập đến các ưu và khuyết điểm của OFDM, vấn đề kênh truyền, cấu trúc symbol và các thông số khi thiết kế hệ thống OFDM 2.1 HỆ THỐNG OFDM 2.1.1 Nguyên lý OFDM OFDM là kỹ thuật truyền khối Tín hiệu dải gốc sau khi thực hiện ánh xạ... kênh truyền chọn lọc tần số Thứ ba, hệ thống OFDM có thể thực hiện đơn giản bằng phép biến đổi IFFT/FFT Điều cuối cùng là khả năng kết hợp với các kỹ thuật khác nhằm tăng chất lượng hệ thống như: hệ thống OFDM- CDMA và MIMO -OFDM [3] Trang 30 Bên cạnh các ưu điểm trên, hệ thống OFDM cũng có ba khuyết điểm Thứ nhất, việc sử dụng chuỗi bảo vệ sẽ làm giảm băng thông của hệ thống vì các khoảng bảo vệ không... thuật OFDM và công nghệ CDMA có thể giải quyết vấn đề trên Sự kết hợp này tạo nên hệ thống MC-CDMA (Multi-Carrier Code Division Multiple Access) Về cơ bản, hệ thống MC-CDMA có kiến trúc tương tự như hệ thống OFDM Điểm khác biệt chính là hệ thống MC-CDMA truyền một symbol trên các sóng mang con khác nhau Do đó, hệ thống MC-CDMA có hai điểm lợi chính Thứ nhất là khả năng làm giảm tốc độ symbol trên mỗi... thuật OFDM Trang 25 Năm 1971, Weinstein and Ebert đề nghị cách thực hiện OFDM rời rạc như sau: 1 S (nT )  N ' m N 1 a k 0 m,k e j 2 nk N 0  n  N  1 (2.4) , Đây chính là biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) của chuỗi ak , điều này làm cho việc thực hiện OFDM trở nên dễ dàng vì DFT/IDFT là công cụ cơ bản và đã được thực hiện cả trên phần cứng lẫn phần mềm Việc giải đa hợp tín hiệu OFDM ở phần. .. thuyết hay mô phỏng [1] [3] Trong khi đó, đề tài này hướng đến thực hiện trên phần cứng nhằm nâng cao khả năng ứng dụng thực tế Phần cứng được sử dụng để thiết kế hệ thống là bộ kit Stratix DSP Development và phần mềm DSP Builder của Altera Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế một hệ thống thu/phát tín hiệu ở dải gốc sử dụng kỹ thuật OFDM trên bộ Kit DSP Development Linh kiện chính của Kit là FPGA Stratix... được phát đồng thời qua kênh vô tuyến trên cùng một phổ tần và được thu bởi M antenna của hệ thống thu Về cơ bản, thì các hệ thống MIMO phải có kênh truyền flat fading trên mỗi kênh con Khi đó, kỹ thuật OFDM có thể ứng dụng tốt nhờ khả năng chia luồng dữ liệu thành các kênh con trong một dòng dữ liệu của hệ thống MIMO Các hệ thống kết hợp này được gọi là hệ thống MIMO -OFDM Trang 22 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ... hệ thống, các công cụ phần cứng và phần mềm hỗ trợ cho thiết kế Chương 4 là phần nội dung chính của đề tài Chương này trình bày phương pháp thiết kế mạch của từng khối và ghép các khối để tạo thành hệ thống OFDM hoàn chỉnh Trang 12 Chương 5 trình bày các kết quả đo đạc, kiểm tra và đánh giá hệ thống bằng công cụ Signal Tap và máy phân tích phổ Chương 6 là phần tổng kết các nội dung chính đã thực hiện. .. Viterbi nhằm tạo nên một hệ thống truyền thông số hoàn chỉnh và tăng khả năng ứng dụng thực tế Để kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống, đề tài đã thêm vào các bộ tạo nhiễu và đo tốc độ lỗi bit Hầu hết kết quả kiểm tra hệ thống được thực hiện bằng công cụ Signal Tap Đây là công cụ được sử dụng phổ biến để kiểm tra hệ thống khi thiết kế trên FPGA Signal Tap hoạt động dựa trên nguyên tắc đọc các kết . thuật OFDM, mô hình của hệ thống OFDM, tác động của kênh truyền lên hệ thống OFDM, mô tả cấu trúc symbol của OFDM và các tham số khi thiết kế hệ thống OFDM. Chương 3 giới thiệu về mô hình hệ thống, . đề tài này hướng đến thực hiện trên phần cứng nhằm nâng cao khả năng ứng dụng thực tế. Phần cứng được sử dụng để thiết kế hệ thống là bộ kit Stratix DSP Development và phần mềm DSP Builder. TRONG HỆ THỐNG OFDM 30 2.2.1. Tác động của kênh truyền 30 2.2.2. Cân bằng cho hệ thống OFDM 35 2.2.3. Phương pháp sử dụng pilot 36 2.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG OFDM 39 2.3.1. Cấu trúc symbol OFDM